Нейтронный метод

Нейтронный каротаж применяют в необсаженных и обсаженных скважинах.

Нейтронный метод основан на облучении скважины и пород нейтронами от стационарного ампульного источника и измерении плотностей потоков надтепловых и тепловых нейтронов и гамма-квантов, образующихся в результате ядерных реакций рассеяния и захвата нейтронов. Измеряемая величина – скорость счета в импульсах в минуту (имп/мин); расчетная величина – водородосодержание пород, %.

В зависимости от регистрируемого излучения различают:

- нейтронный каротаж по надтепловым нейтронам – ННК-НТ;

- нейтронный каротаж по тепловым нейтронам – ННК-Т;

- нейтронный гамма-каротаж – НГК.

Первые два вида исследований выполняют, как правило, с помощью компенсированных измерительных зондов, содержащих два детектора нейтронов (рис. 4); НГК – однозондовыми или двухзондовыми приборами, содержащими источник нейтронов и один или два детектора гамма-излучения (рис. 2).

Нейтроны не имеют электрического заряда, не ионизируют среду и, следовательно, не теряют энергии при взаимодействии с электрическими заря­дами электронов и ядер. Этим объясняется их высокая проника­ющая способность. Нейтрон – частица с массовым числом, равным единице, и с зарядом, равным нулю ().

Различают быстрые нейтроны с энергией 1 – 15 МэВ, промежуточные – 1 МэВ – 10 эВ, мед­ленные или надтепловые – 10 – 0,1 эВ и тепловые нейтроны со средней скоростью 0,025 эВ.

Единственный фактор, влияющий на движение нейтронов – их столкновение с ядрами атомов, которое проявляется в виде рассеяния нейтронов и захвата их ядрами атомов. В результате рассеяния происходят уменьшение энергии нейтронов и изменение направления его движения. Различают неупругое и упругое рассеяние нейтронов.

В случае неупругого рассеяния при столкновении нейтрона с ядром атома большая часть кинетической энергии расходуется на воз­буждение рассеивающего ядра, что сопровождается значитель­ным снижением энергии (скорости движения) нейтронов. Не­упругое рассеяние характерно для быстрых нейтронов.

При энергиях нейтронов от нескольких МэВ до 0,1 эВ преобладает упругое рассеяние, играющее основную роль в процессе замедления нейтронов. Упругое рассеяние вы­зывает перераспределение кинетической энергии между нейтро­ном и ядром (часть энергии нейтрона передается ядру), откло­нение движения нейтрона от первоначального направления и снижение его энергии. Чем меньше масса ядра, тем больше потеря энергии нейтрона. Наибольшая потеря энергии проис­ходит при столкновении нейтрона с ядром атома водорода, масса которого почти равна массе нейтрона. Потеря энергии нейтроном в этом случае может быть полной.

В результате рассеяния быстрых нейтронов, испускаемых источником, происходит их замедление и превращение в надтепловые и тепловые, т. е. в конечном счете энергия нейтронов становится равной кинетической энергии атомов и молекул. Та­кие нейтроны участвуют в тепловом движении атомов и молекул, сталкиваются с ними, не теряя и не приобретая энергии. Этот процесс получил название диффузии нейтронов.

В горной породе замедляющая способность нейтронов опре­деляется содержанием водорода в единице ее объема (водородосодержанием, ω). Интенсивность замедления быстрых нейтронов наименьшая в карбонатах и наибольшая в галоидах.

Одним из основных нейтронных параметров среды является длина замедления нейтронов L_s. Длиной замедле­ния называют среднее расстояние по прямой линии от места вылета нейтрона до точки, в которой нейтрон становится теп­ловым. Величина L_s зависит от водородосодержания и при со­держании воды и нефти в порах породы изменяется от 15 до 35 см, а в воде составляет несколько сантиметров. Количественное содержание водорода в породах влияет на длину замедления а, следовательно, и время жизни нейтронов.

Нейтроны, достигшие теплового состояния, продолжают дви­гаться (диффундировать) из областей большей плотности в об­ласти пониженной плотности, испытывая столкновения с яд­рами элементов без изменения средней энергии и длины звеньев между отдельными столкновениями. В результате происходит поглощение (захват) нейтрона ядром атома.

Коэффициент диффузии обратно пропорционален содержа­нию водорода в среде. Чем больше водонасыщенность среды, тем медленнее «расползается» облако тепловых нейтронов (диффузия происходит в течение 10²–10⁴ мкс).

Для диффузионной фазы движения тепловых нейтронов ха­рактерны величины L_a –среднее расстояние от точки воз­никновения теплового нейтрона до точки его поглощения и τ_ср – среднее время жизни нейтрона:

τ_ср = 1 / υ_т Σ_з, (1)

где υ_т – скорость движения тепловых нейтронов, с увеличением температуры скорость возрастает;

Σ_з – эффективное макроскопическое сечение захвата нейт­ронов, выражающее способность среды поглощать нейтроны.

Зависимости времени жизни нейтронов (τ) в геологических образованиях от содержания алюмокремниевых компонентов и водорода при различной концентрации хлора, обладающего большим сечением поглощения приведены на рисунке 1.

Рис. 1. Зависимости времени жизни нейтронов в геологических образованиях от содержания алюмокремниевых компонентов и водорода при различной концентрации хлора

Захват медленного нейтрона сопровождается испусканием g-квантов (радиационный захват), являющимся основной при­чиной вторичного гамма-излучения. Возникают g-лучи захвата в водородсодержащей среде в результате реак­ции:

. (2)

При захвате нейтронов в ядре создается некоторый избыток энергии, и оно приходит в возбужденное состояние. Переход в устойчивое состояние сопровождается ис­пусканием g-квантов, число и энергия которых зависит от того, какому элементу (и какому его изотопу) соответствует ядро.

С удалением от источника плотность нейтронов (число нейт­ронов в единице объема) в среде уменьшается, и одновременно возрастает число нейтронов с меньшей энергией. Плотность нейтронов зависит от замедляющих и погло­щающих свойств среды, которые определяются, в основном, водородосодержанием. Следовательно, чем выше водородосодержание, тем быстрее убывает плотность нейтронов с удалением от ис­точника.

Дата добавления: 2014-11-18